基于NI通用編程開發(fā)平臺的無線采集處理系統(tǒng)

劉廷銀　趙雙江　劉京京

摘要：通常在一個無線通信系統(tǒng)的研發(fā)初期，需要對各種無線標(biāo)準(zhǔn)，各種實驗場景進行反復(fù)驗證。如果針對每一種標(biāo)準(zhǔn)和場景均開發(fā)或者購買相應(yīng)的軟硬件平臺，會大大提高開發(fā)成本，而且這些專用的軟硬件平臺很難應(yīng)用于以后其他通信系統(tǒng)的研發(fā)當(dāng)中，造成極大的浪費；本文設(shè)計了一種基于NI通用編程開發(fā)平臺的無線采集處理系統(tǒng)，其具有良好的兼容性，便于開發(fā)和進行系統(tǒng)設(shè)計，較好地滿足了無線通信系統(tǒng)的基本研發(fā)需求。

關(guān)鍵詞：信號處理 定義無線電 開發(fā)平臺

中圖分類號：TP316 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0141-01

1 無線采集處理系統(tǒng)需求背景

在通用無線通信硬件平臺的基礎(chǔ)上，可以通過軟硬件語言編程的形式實現(xiàn)各種處理功能。然而這個過程仍然面臨著編程方式繁瑣復(fù)雜，調(diào)試、錯誤診斷困難等問題。而圖形化、可視化的編程語言，如Labview，具有直觀的前面板和流程圖式的編程方法。它能夠增強構(gòu)建系統(tǒng)的能力，提供編程的巨大靈活性以及完善的性能，大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。

2 無線采集處理系統(tǒng)設(shè)計

通用可視化編程開發(fā)平臺可用于數(shù)據(jù)采集與處理、信道測量與分析、關(guān)鍵算法研究、原型系統(tǒng)研制等。

（1）數(shù)據(jù)采集與處理。利用該平臺可以進行數(shù)據(jù)采集和記錄，其基本目的是提供可供信號分析、協(xié)議驗證的實驗數(shù)據(jù)。

（2）信道測量與分析。無線通信的傳輸速率和傳輸質(zhì)量最終都要受到無線信道的制約。該平臺以其靈活的模塊化架構(gòu)，能夠針對多種標(biāo)準(zhǔn)和場景測量相應(yīng)的信道狀態(tài)信息，并完成后續(xù)的分析處理。

（3）關(guān)鍵算法研究。該平臺不僅具有一個很強的通用性，還擁有可視化的編程開發(fā)環(huán)境。能夠方便快捷地驗證各種算法的性能。

以無線信號采集處理過程為例，通常所需通信實驗系統(tǒng)要能夠支持實時通信。基帶波形可通過軟件編程實現(xiàn)帶寬為10MHz的任意波形，如：掃頻信號、升余弦信號以及各種自定義的不規(guī)則信號；基帶波形可在通信過程中實時改變；調(diào)制方式可通過軟件編程實現(xiàn)，支持中頻采樣數(shù)據(jù)的實時存儲等。

由于帶有Labview-FPGA實時開發(fā)工具，通用可視化編程開發(fā)平臺能夠方便快捷地實現(xiàn)各種基帶信號處理算法。一方面，該平臺支持實時可視化FPGA開發(fā)模式，利用FPGA完成各種高速信號處理時比傳統(tǒng)方法效率更高，調(diào)試手段也更為靈活；另一方面，該平臺還能夠在基帶利用Labview完成各種算法，能夠很好地滿足項目需求，并能達(dá)到各項具體指標(biāo)。

（4）原型系統(tǒng)研制。以無線通信原型系統(tǒng)設(shè)計的項目為例，該系統(tǒng)基于時分復(fù)用的思想，利用一套收發(fā)平臺實現(xiàn)一個完整的物理層通信流程。該原型系統(tǒng)由控制部分、基帶和中頻模塊、射頻模塊三部分構(gòu)成?？刂撇糠种饕糜跁r分收發(fā)切換以及數(shù)據(jù)幀格式的調(diào)整等；基帶和中頻模塊基于軟件無線電思想，用于靈活地實現(xiàn)各種算法；射頻模塊可支持寬帶范圍內(nèi)發(fā)射信號的靈活配置?？梢姡撓到y(tǒng)可以實時靈活配置各種編碼調(diào)制方式，以適應(yīng)于不同的應(yīng)用場景。

3 NI通用可視化編程開發(fā)平臺

3.1 NI通用硬件平臺

實現(xiàn)單發(fā)單收的NI通用可視化開發(fā)平臺采用PXIe硬件結(jié)構(gòu)，硬件平臺的各個模塊功能極其參數(shù)說明如下：

（1）NI PXIe-1062Q：NI PXIe-1062Q是一個帶通用電源的8槽3U PXIe機箱，其高帶寬背板可提供每插槽高達(dá)1 GB/s的專用帶寬以滿足高效運轉(zhuǎn)需要。NI PXIe-1062Q具有4個PXI外圍插槽、1個具有系統(tǒng)定時功能的PXI Express插槽、2個既可接受PXI外圍模塊又可接受PXI Express外圍模塊的PXI Express混合插槽。NI PXIe-1062Q機箱運行的溫度可擴展到55℃，在溫度低于30℃時其噪聲發(fā)射可低至43.6 dBA。

（2）NI PXIe-8108：NI PXI-8108是是基于Intel Core 2 Duo T9400的高性能嵌入式控制器，可用于PXI Express和CompactPCI Express系統(tǒng)嵌入式控制器，相當(dāng)于主機功能，用來運行Labview軟件，實現(xiàn)各種控制等功能。

它配有2.53 GHz雙核處理器和800 MHz DDR2內(nèi)存，PXIe-8108與PXIe-5641R之間的實時數(shù)據(jù)傳輸能力能達(dá)到20MB；存儲文件傳輸數(shù)據(jù)可達(dá)100MB以上。利用Labview產(chǎn)生的基帶I/Q兩路信號通過PXIe總線傳給PXIe-5641R。

（3）PXIe-5641R：PXIe-5641R是一個通用中頻收發(fā)器，可以完成數(shù)字的上下變頻和后續(xù)的數(shù)字信號處理。由于基于FPGA架構(gòu)，其通道數(shù)，濾波器系數(shù)等參數(shù)均可以自己設(shè)計，比ASIC更加靈活。

PXIe-5641R為兩路中頻信號收發(fā)，兩入，兩出；20MHz實時中頻帶寬；處理芯片為xilinx V5，提供640個乘法器、超過14，000片（slice）和將近100，000個邏輯單元；兩個100MS/s，14bit ADC；兩個200 MS/s，14bit DAC；250K到80MHz的中頻頻率；本身提供抗混疊抽取和數(shù)字下變頻的功能。

（4）PXI-5600：PXI-5600為模擬下變頻，將射頻接收的信號通過三級變頻下變頻到中頻，以便后續(xù)的數(shù)字化和信號處理。

它的的基底噪聲為-135dBm/Hz，具有高精度晶振，10MHz，50ppb頻率精度，相當(dāng)于0.05ppm；9 kHz-2.7 GHz，20 MHz實時帶寬。PXI機箱具有時鐘，而且還可以利用專用時鐘卡。

3.2 NI可視化編程開發(fā)平臺（Labview）

Labview是NI公司實現(xiàn)虛擬儀器的軟件平臺，內(nèi)嵌有多種通信開發(fā)工具包。在項目的采購中，主要基于Labview的軟件平臺。該方案可提供靈活的基帶算法編程手段，高效地對各種算法進行驗證，并且可承載高層協(xié)議。整個方案共由三部分構(gòu)成：Labview核心軟件，Labview-FPGA開發(fā)工具以及NI實時開發(fā)工具。